الكفاءة الكمية

غالباً ما يتم النظر في نوعين من الكفاءة الكمية للخلايا الشمسية:

• الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) هي نسبة عدد حاملات الشحنة التي تجمعها الخلية الشمسية إلى عدد الفوتونات ذات الطاقة المحددة التي تسطع على الخلية الشمسية من الخارج (الفوتونات الساقطة).
• الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) هي نسبة عدد حاملات الشحنة التي تجمعها الخلية الشمسية إلى عدد الفوتونات ذات الطاقة المحددة التي تسطع على الخلية الشمسية من الخارج ويتم امتصاصها بواسطة الخلية.

تكون كفاءة الكم الداخلية (IQE) دائمًا أكبر من كفاءة الكم الخارجية (EQE) في الطيف المرئي. تشير كفاءة الكم الداخلية المنخفضة إلى أن الطبقة النشطة في الخلية الشمسية غير قادرة على الاستفادة الأمثل من الفوتونات، على الأرجح بسبب ضعف كفاءة تجميع حاملات الشحنة. لقياس كفاءة الكم الداخلية، تُقاس أولًا كفاءة الكم الخارجية للجهاز الشمسي، ثم تُقاس نفاذيته وانعكاسه، وتُجمع هذه البيانات لاستنتاج كفاءة الكم الداخلية. $${\displaystyle {\text{EQE}}={\frac {\text{إلكترونات/ثانية}}{\text{فوتونات/ثانية}}}={\frac {{\text{(التيار)}}/{\text{(شحنة إلكترون واحد)}}}{({\text{الطاقة الكلية للفوتونات}})/({\text{طاقة فوتون واحد}})}}}$$$${\displaystyle {\text{IQE}}={\frac {\text{إلكترونات/ثانية}}{\text{فوتونات ممتصة/ثانية}}}={\frac {\text{EQE}}{\text{1-انعكاس-نقل}}}}$$

لذا، تعتمد الكفاءة الكمية الخارجية على كلٍّ من امتصاص الضوء وتجميع الشحنات. فبعد امتصاص الفوتون وتوليده زوجًا من الإلكترونات والفجوات، يجب فصل هذه الشحنات وتجميعها عند نقطة التلامس. وتتجنب المواد "الجيدة" إعادة تركيب الشحنات، إذ يؤدي ذلك إلى انخفاض الكفاءة الكمية الخارجية.

يتميز منحنى الكفاءة الكمية المثالي بشكل مربع ، حيث تكون قيمة الكفاءة الكمية ثابتة نسبيًا عبر كامل نطاق الأطوال الموجية المقاسة. مع ذلك، تنخفض الكفاءة الكمية لمعظم الخلايا الشمسية بسبب تأثيرات إعادة التركيب، حيث لا تستطيع حاملات الشحنة الانتقال إلى الدائرة الخارجية. وتؤثر الآليات نفسها التي تؤثر على احتمالية التجميع على الكفاءة الكمية أيضًا. على سبيل المثال، يمكن أن يؤثر تعديل السطح الأمامي على حاملات الشحنة المتولدة بالقرب من السطح. كما يمكن أن تتسبب طبقات السطح الأمامي عالية التشويب في "امتصاص حاملات الشحنة الحرة"، مما يقلل الكفاءة الكمية في الأطوال الموجية الأطول. ^{[ 3 ]} ولأن الضوء عالي الطاقة (الأزرق) يُمتص بالقرب من السطح، فإن إعادة التركيب الكبيرة على السطح الأمامي ستؤثر على الجزء "الأزرق" من الكفاءة الكمية. وبالمثل، يُمتص الضوء منخفض الطاقة (الأخضر) في الجزء الداخلي من الخلية الشمسية، وسيؤثر طول الانتشار القصير على احتمالية التجميع من الجزء الداخلي للخلية الشمسية، مما يقلل الكفاءة الكمية في الجزء الأخضر من الطيف. عموماً، لا تُنتج الخلايا الشمسية المتوفرة في السوق اليوم الكثير من الكهرباء من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء (بأطوال موجية أقل من 400  نانومتر وأكثر من 1100  نانومتر على التوالي)؛ إذ يتم ترشيح هذه الأطوال الموجية من الضوء أو امتصاصها بواسطة الخلية، مما يؤدي إلى تسخينها. وتُعد هذه الحرارة طاقة مهدرة، وقد تُلحق الضرر بالخلية. ^{[ 4 ]}

يُعطي القياس التقليدي لكفاءة الكم الخارجية (EQE) كفاءة الجهاز ككل. مع ذلك، من المفيد غالبًا الحصول على خريطة لكفاءة الكم الخارجية على مساحة واسعة من الجهاز. توفر هذه الخريطة طريقة فعّالة لتصوير التجانس و/أو العيوب في العينة. وقد أنجزها باحثون من معهد البحث والتطوير في مجال الطاقة الكهروضوئية (IRDEP) الذين قاموا بحساب خريطة كفاءة الكم الخارجية من قياسات التألق الكهربائي التي أُجريت باستخدام جهاز تصوير طيفي فائق . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

$${\displaystyle QE_{\lambda }=\eta ={\frac {N_{e}}{N_{\nu }}}}$$ أين${\displaystyle N_{e}}$= عدد الإلكترونات المنتجة،${\displaystyle N_{\nu }}$= عدد الفوتونات الممتصة. $${\displaystyle {\frac {N_{\nu }}{t}}=\Phi _{o}{\frac {\lambda }{hc}}}$$

بافتراض أن كل فوتون يتم امتصاصه في طبقة الاستنزاف ينتج زوجًا من الإلكترون والفجوة قابلًا للاستخدام، وأن جميع الفوتونات الأخرى لا تنتج ذلك، $${\displaystyle {\frac {N_{e}}{t}}=\Phi _{\xi }{\frac {\lambda }{hc}}}$$ حيث يمثل t زمن القياس (بالثواني)، ${\displaystyle \Phi _{o}}$= القدرة الضوئية الساقطة بالواط، ${\displaystyle \Phi _{\xi }}$= الطاقة الضوئية الممتصة في طبقة الاستنزاف، وهي أيضًا بالواط.